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南开大学技术创新纪实:打破技术壁垒,匠心创制中国绿色除草剂
2018-12-28 中国教育和科研计算机网 袁玉凝

——南开大学超高效磺酰脲除草剂创制创新成果纪实

  背景介绍:在创制绿色农药理念的指导下,南开大学李正名院士团队成功创制了单嘧磺隆和单嘧磺酯除草剂。单嘧磺隆是我国第一个获得国家新农药三证齐全的具有自主知识产权的创制除草剂,填补了我国传统作物谷子长期没有除草剂的技术空白。 

  粮食、人口、资源和环境已成为当今世界普遍关注的重大问题。农业作为国民经济的基础产业,直接关系到国家的稳定和发展。中国作为世界第一人口大国,用占世界7%的耕地,供养占世界22%的人口,农药在国民经济中的重要性日益明显。加强对农药科技的引领,充分发挥农药对人类各种社会流行病传播和对各种严重危害农作物病虫草害的有效控制,同时减少对环境生态某些消极作用,在保证社会稳定发展、农业科技进步、农作物保产增产方面发挥了巨大作用,是人类社会可持续发展的必要条件。


中国工程院院士、南开大学教授 李正名

  在国家自然科学基金会的支持下,在创制绿色农药理念的指导下,1994年南开大学李正名院士团队通过对超高效磺酰脲类除草剂的大量基础研究积累,修改了国际上Levitt 构效关系四点结论,在1999年联合国工发组织(UNIDO)召开的国际植物保护化学品大会上提出了南开构效关系新三点结论,并据此开辟了一个国外未研究成功的新领域。在近千个合成分子中首次发现单嘧磺隆与单嘧磺酯两个新结构的超高除草活性。2004年在国家科技部国际科技合作计划支持下,建立和澳大利亚Queensland 大学Duggleby 教授合作研究,经过十多次失败,终于获得新分子与ALS靶酶对接形成复合物(Complex)的晶体结构,经过美国芝加哥大学阿尔贡(Argonne)国家实验室同步辐射加速器(2.8埃)测定此靶酶有4个亚基而每一亚基由582个氨基酸组成,在对接中和单嘧磺隆分子形成了生物大分子(4,431个原子)的三维结构得到确认。经过中国科学院高能物理所董宇辉研究员的协助,首次确定了单嘧磺隆分子在ALS靶酶上的作用位点,发现在此具体位置上此底物对各蛋白质残基所起的非作用力的排序与经典磺酰脲除草剂比较有精细差异,为其后在田间表现高选择性的解释打下理论基础。在为单嘧磺隆作为新药寻找防治对象时,在试验现场发现它对诸多杂草防效很好,但对一种叫狗尾草的杂草完全无效。当时用“逆向思维”推论可能在植物分类中同归于狗尾草属的谷子作物上或能找到应用前途。由于谷苗特别脆弱对除草剂极为敏感,前人曾多次寻找各国内外市售除草剂均因对谷苗产生药害而失败。使人感到意外惊喜的是单嘧磺隆在谷田除草表现优越外更为重要是对谷苗表现特别安全,这现场考察使我们了解到单嘧磺隆除草剂的新特色。谷子是我国独有的长达7000年种植史的最古老农作物。在各种干旱、贫瘠等自然条件十分恶劣的条件下它的茁壮生长哺育了我国世代人民,象征着我国人民历来在十分艰苦环境磨砺下始终保持着英勇奋斗的大无畏精神,因此作为一名中国人都对谷子作物有一种特殊的亲切感。单嘧磺隆成功开发终于宣告了谷田长期依靠繁重的人工除草历史的结束。 

  单嘧磺隆是我国第一个发明的具有自主知识产权的超高效绿色除草剂。经国家各部门对其化学、药效、工艺、检测、毒理、环境、生态、残留、降解、对非靶标生物体与对下茬作物安全性等40多项实验资料全面审核后,2007年国家为此颁发了新的除草剂登记证,从基础研究、专利申请、技术开发、质控检测、工艺开发、毒理环境生态评价、最后到产业化阶段前后历经了20多年。创制除草剂的技术难点在于:从同为依靠叶绿素运行的高等植物即农作物和杂草之间寻找细微生理差别,而新除草剂必须具有高效除草同时保护农作物不受丝毫伤害的特殊功能,其高选择性首先必须得到保证。在各级领导的支持和关怀下,单嘧磺隆历经种种磨难最后创制成功终于打破美、日、德等少数经济发达国家长期独占新除草剂创制科技的历史。 


张家口农科院杂交谷子试验田施药除草后现场

  单嘧磺酯是南开大学继新型磺酰脲类除草剂单嘧磺隆之后创制成功的又一个新除草剂品种。具有超高效、用量小、环境友好、应用成本很低的特点。能有效防除麦田主要杂草播娘蒿、荠菜、藜等阔叶杂草,防效95%以上,比照其他除草剂对小麦后茬作物玉米更为安全。2007年在沙特阿拉伯农业部领导下曾进行大麦田除草的大规模试验(当地不种小麦,当时施药量1.5克/亩)表现良好,值得进一步研究开发。单嘧磺酯的大面积推广技术(武清县万亩示范田试验)于2009年也通过天津市科委专家委员会的技术鉴定。

  单嘧磺隆与单嘧磺酯对温血动物毒性都极低(LD50 > 4640 - 10000mg/kg, 比日用牙膏毒性低25倍 - 50倍),平均施药量很低(1-2克/亩),实现了原有“绿色农药”分子设计理念和目标。曾经两次(2001, 2005)被纳入科技部《国家科技成果推广计划指南项目》。据在90年代示范推广阶段统计,在华北、东北地区推广500多万亩,销售额2330万元,社会效益5.9亿元。

  本科技工作曾获国家技术发明二等奖、全国发明创业奖、天津市科技重大成就奖、天津市技术发明一等奖、天津市最有价值发明专利奖等。 


兴柏集团受让南开大学小麦田除草剂

  2010年出版的英国新农药品种手册(Ag Chem New Compound Review V.28, 73-74)已将南开大学创制品种单嘧磺隆和单嘧磺酯收录入册。英国农药化学品专刊AsiaFab 与世界农化周刊(Agronews Daily)曾报道有关“中国第一个创制除草剂”等信息。最近响应中央关于生态文明社会建设的号召,已将原有生产工艺成功地改造为无废气、废水、废液的零排放绿色工艺。为了贯彻教育部和天津市开展“产学研协作” 和 “京津冀地区科技合作”的指示精神,2017年南开大学通过协商将此两个原始创新绿色除草剂全套技术转让给石家庄兴柏药业集团公司进行量产,以尽快为加速我国国民经济发展而贡献力量。

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